公共建筑中庭机械排烟系统探讨
公共建筑中庭是每个建筑设计师倾注心血的重点，是现代建筑设计理念体现的重要形式之一。它以建筑内部共享空间作为核心，创造了或富丽堂皇，或高大气派的美妙空间，但在同时也存在了内部不易进行防排烟、防火分隔，容易形成巨大的“烟囱效应”等特点。如果中庭烟气得不到合理有效的控制，会快速蔓延到建筑物的其他部位，危及人员生命安全，而且不利消防救援的展开，极易造成重大损失。
近年来，不管是多层还是高层公共建筑中设计中庭的形式越来越多，中庭面积和高度也是在加大，中庭采用自然排烟一般很难实现。但国内中庭排烟系统的排烟量国内尚无实验数据，《建筑设计防火规范》GB50016-2006第9.4.5条中中庭排烟系统的排烟量以及《高层民用建筑设计防火规范》第9.4.5条中庭排烟系统的排烟量均系参考国外资料、按中庭的体积计算确定的。(规范条文说明：据国外资料介绍：1.对容积不超过600000ft3的室内中庭包括与其相连的同一防烟区各楼层的容积排烟量不得小于每小时6次换气量。2.对容积大于600000ft3的室内中庭包括与其相连的同一防烟区各楼层的容积排烟量不得小于每小时4次换气量。)笔者学习和参考了一些有关的国内外文献中先进的设计计算理念，同时结合自己多年设计经验，对中庭机械排烟量的实用计算法作如下阐述。
1. 常规的中庭机械排烟量的计算方法
我国现行的《建筑设计防火规范》(以下简称《建规》)GB50016-2006第9.4.5条及高层民用建筑设计防火规范》(以下简称《高规》)第9.4.5条中庭排烟系统的排烟量的规定如下：“中庭体积小于17000m3时，其排烟量按其体积的6次/h换气计算;中庭体积大于17000m3时，其排烟量按其体积的4次/h换气计算，但最小排烟量不应小于102000 m3/h”。按规范中庭体积越大，空间的蓄烟能力越大，其排烟速率的要求就越低。
按照规范，中庭传统的机械排烟量设计计算方法主要是参照了国外的换气次数法。从计算方法上看，主要是通过排烟对烟气浓度起到稀释作用，方法简便快捷。但是在工程实践中存在着不足之处：(1)计算时单纯以中庭体积作为唯一的计算基础，未考虑到具体的建筑特性。与中庭烟气控制有关的建筑特性主要有中庭的面积、长宽比、体形系数、通透率、开敞系数等，这些因素对中庭建筑火灾时烟气的流动均有影响，显然，仅仅考虑中庭的体积容量是不合理的。(2)没有考虑到火灾荷载的影响。不同功能中庭中不同的固定火灾荷载(如门、窗等)、活动火灾荷载(如可以移动的桌椅、沙发等)和临时火灾荷载(主要指建筑的使用者临时安置在此的可燃物等)的布置方式和荷载量的大小，也会对火灾和烟气流动产生影响。
另外，采用固定的换气次数法，对于大空间中庭，计算的排烟量过大，在实际工程中难以实现;而对于中等体积中庭，其计算值往往又偏小。
2. 采用性能化方法确定排烟量
性能化设计是建立在火灾安全工程学基础上的一中新的防火设计方法。它运用火灾安全工程学的原理，依据具体的建筑物火灾发展特性来决定其防火的需要，依据建筑物的火灾危险性，对中庭排烟量进行量化计算。笔者主要采用双区模型来分析中庭机械排烟。在中庭火灾模型中，中庭被分成上层的热烟气层和下层的冷空气层，上下层之间通过烟羽进行。当烟气到达顶棚后，开始水平扩散，碰到障碍物后，烟气开始下降。随着烟羽继续向烟气层供气，烟气层不断增加，并不断下降。此时的烟气层属于非稳定烟气层。如排烟系统运行，排烟的质量速率和烟羽供给的质量速率相等时，烟气层高度为稳定烟气层高度。在工程实际中，人们关心的是主要参数的平均效应。此时，烟气界面保持在某个位置，烟气层的温度也维持在某个温度。
由于在各类火灾中，对人员危害最大的是烟气。烟气对人的危害主要体现在它的毒性和遮光性上。为了让人员快速疏散，应采取控制措施使烟气层保持在一定高度，不对人体构成威胁。例如：美国国家建筑管理规规范(BOCA)规定：烟气控制系统维持烟气层界面保持在1.8米以上的时间不少于20min。目前比较有代表性的中庭烟气控制性能计算法有：NFPA 92B《商场、中庭与大空间的烟气控制系统设计指南》等。国内也有个别城市采纳了性能化计算方法，并给出了火灾烟气速查表。
中庭机械排烟的工程设计性能化计算法主要参数：火源功率，烟气层高度、温度，排烟量以及排烟分布等。主要计算步骤如下：
2.1. 火源功率设定
火源是火灾的的起因，通常用热释放率(HRR)来描述火源的大小，它也是防排烟设计计算的基础。根据火源的释热状态以及火灾场景的不同，又可以分为稳态火源和非稳态火源两种。具体工程设计师，往往不能确定放热量实际资料。在缺乏放热量设计资料的情况下，可假定火源为稳态火源。这样使设计的系统可以更加可靠。
2.1稳态火源
稳态火源的热释放率可采用式(1)计算：
Q=mhc (1)
式中Q为稳态热释放率，KW;m为燃料的质量燃烧速率，Kg/s;hc为燃料的燃烧热值，KJ/Kg.
也可根据一些实验结果直接设定火灾热释放率，如下表1：
表1 各类场所的火灾模型热释放率
| 场 所 | 热释放率Q/MW |
|
设有喷淋的商场 设有喷淋的办公室、客房 设有喷淋的公共场所 设有喷淋的汽车库 设有喷淋的超市、仓库 设有喷淋的中庭 无喷淋的办公室、客房 无喷淋的汽车库 无喷淋的中庭 无喷淋的公共场所 无喷淋的超市、仓库 |
5 1.5 2.5 1.5 4 1 6 3 4 8 20 |
注：设有快速相应喷头的场所可按本表数据减小40%
2.2烟气层高度
2.2.1NFPA 92B预测公式
笔者借鉴国外已在工程设计中运用的研究成果，即采纳NFPA 92B中有关公式(均指中庭底部发生火灾时)进行估算：
稳态火源
Z/H=1.11-0.28ln(tQ1/3 H2/3/A) (2)
式中: Z(m)为烟气层界面距地面的高度; H(m)为中庭的高度;A(m2)为中庭的水平截面面积
注： 当0.9≤A/H2≤14,且Z/H>0.2时，上式适用，上式基于烟气层温度高于74℃来预测烟气层下降的。
2.2.2设计烟气层高度
设计烟气层高度可参考美国国家建筑管理规范(BOCA)，确定为1.8米。
2.3排烟量计算
综上所述，中庭机械排烟系统开启后烟气会形成稳定的“净”层高度，对于稳定的烟气层，根据质量守恒原理，理论上排烟系统的排烟量与烟气的产生量相等。下面介绍一下最具代表的轴对称型烟羽，其烟气质量流量计算：
mp=0.071Qc1/3z5/3+0.0018 Qc, 当Z>Zf
mp=0.0054QcZ/L 当Z≤Zf
式中Qc(KW)为热流释放率的对流部分;Zf(m)为连续火焰极限高度
当然，在工程实际问题中，人们描述烟气时往往更喜欢用体积流量而不是质量流量。计算时，可以根据烟气密度和温度，将质量速率转换为体积速率：
Ve= mp Ts/ρ0T0
式中Ve(m3/s)烟气产生体积流速;ρ0取20℃时空气密度，1.202Kg/ m3;T0为环境温度;Ts为烟气温度
2.4烟气层平均温度：
可按以下公式计算：Ts= T0+Qc/ mpCp (Cp为烟气的定压比热容)
综上，中庭机械排烟量的计算确定，与火灾的热释放率、烟气层控制高度有极大的关系。与常规的排烟量计算方法相比，采用性能化方法确定排烟量，将烟气层界面保持在1.8米以上，更能有效保证人员逃生，并且能够合理反映出火灾荷载和具体使用功能建筑特性对排烟量的要求和影响。
3.结语
公共建筑中庭防排烟是当前防排烟领域的前沿课题之一。随着建筑科技的发展，对于此类大空间建筑，在执行我国现行防火设计规范的同时，结合具体建筑特性进行定量分析，比采用常规方法更为合理。笔者期望在我国的节能、注重防火安全的形势下，中庭建筑防排烟设计理念能更加合理完善。
参考文献
《建筑设计防火规范》GB50016-2006
《高层民用建筑设计防火规范》GB50045-95(2005)
《消防科学与技术》
《美国国家建筑管理规范》(BOCA)
NFPA . NFPA 92B
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